JPWO2014013639A1 - 可視光通信システム - Google Patents

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Abstract

可視光通信システム１は、III族窒化物半導体レーザ素子１２と、窒化物半導体レーザ素子１２の光出射面側に配置され、蛍光体３１を有する波長変換部３０とを有する光送信装置１０を備える。更に、蛍光体３１からの発光を除去する波長フィルタ７０と、波長フィルタ７０を介してIII族窒化物半導体レーザ素子１２からの発光を受光する受光素子６０を備える。

Description

本発明は、可視光を用いて通信を行う可視光通信システムに関する。
人間の目で認識できる可視光を使って、無線通信を行う可視光通信技術が注目されている。可視光を発する発光装置は、家庭、オフィス、道路に配置される照明から、ディスプレイ、電子機器、信号機、電光掲示といった表示機器に至るまで、さまざまな形で我々の身の回りのあらゆる場所に配置されている。これらの発光装置を搭載した機器に通信機能を付加するだけで、ワイヤレス環境を容易に構築することができる。
特に、携帯電話や無線ＬＡＮ等の従来の無線通信では、一般に、電磁波の人体への影響から送信電力を上げることができない。これに対し、可視光通信では照明に用いている数ワットという高い電力を、そのまま送信に利用できる。このような特徴を活かし、従来無線通信を利用できなかったところでの活用が考えられている。
例えば、病院や航空機内などでは、精密機器への影響から電磁波を利用した無線通信は使用できないが、可視光を用いることで電子機器への影響を与えることはなく無線通信を行うことができる。さらに、一般照明や表示機器で急速に普及が進んでいる発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）は、従来の白熱電球や蛍光灯などと比較して高速でスイッチングできる。従って、これらのＬＥＤを活用することで、高速なデータ送信が可能となる。このように可視光通信は、ユビキタスで、安全性が高く、高速であるといった特徴を持ち、これまでにない新しい通信方式として大いに期待されている。
可視光通信システムとして、例えば、特許文献１のように、白色ＬＥＤの照明光を利用して信号を伝送する照明光送信装置と、その信号を受信する照明光受信装置の技術が開示されている。具体的には、青色ＬＥＤ及び蛍光体からなる白色ＬＥＤを用いた照明光送信装置と、応答速度の遅い蛍光体の発光をカットするための青色フィルタと受光素子からなる照明光受信装置を用いて、青色ＬＥＤの直接光のみを光通信に用いて通信の高速化を可能としている。
特開２００３−３１８８３６号公報
しかしながら、特許文献１に記載された従来の可視光通信システムについて、受信した光信号の強度の確保と、高速化との２つの課題が上げられる。
まず、受信した光信号強度については、可視光通信システムが、太陽光や他の照明装置等、強い外光が存在する環境下で使用されることによる課題がある。従来の可視光通信システムでは、青色光のみを受光素子で受光する。これに対し、太陽光、可視光通信システムに利用しない白色ＬＥＤ光源等が存在すると、それらから出射される青色光がバックグランドとして受光素子により受光される。従って、これらの外光が強い環境下では、受信した光から信号成分を抽出することができなくなる。
また、高速化については、応答速度の遅い蛍光体の発光をカットしているが、ＬＥＤの変調速度自体に限界があり、大容量のデータの送受信が困難である。ＬＥＤの変調速度は、緩和振動周波数により制限されている。この緩和振動周波数は、主にＬＥＤの活性層の体積に依存している。一般的な固体照明やディスプレイのバックライト等に用いられる１００μｍ角から１ｍｍ角の発光部面積を有する白色ＬＥＤでは、数１００ＭＨｚ程度に動作速度が制限される。発光部面積を縮小し、モード体積を低減することにより、緩和振動周波数の向上が期待できる。しかし、同時に発光強度が小さくなるので、照明に必要な光量を得ることができなくなる。
このように従来の白色ＬＥＤでは、発光強度と動作速度とにトレードオフの関係があり、照明に必要な光量を維持しながら、例えば１Ｇｂｐｓを超えるような高速な動作速度を得ることが困難となっていた。
上記の課題を解決するために、本開示の可視光通信システムは、III族窒化物半導体レーザ素子と、窒化物半導体レーザ素子の光出射面側に配置され、蛍光体を有する波長変換部とを有する光送信装置と、蛍光体からの発光を除去する波長フィルタと、波長フィルタを介してIII族窒化物半導体レーザ素子からの発光を受光する受光素子とを備える。
このような構成により、光送信装置及び光受信装置によって送受信する光の波長幅を狭くすることができるので、外光の影響が小さい可視光通信システムを提供することができる。
尚、III族窒化物半導体レーザ素子は、複数のIII族窒化物半導体面発光レーザを含む面発光レーザアレイ素子であってもよい。
この構成により、可視光通信システムの光送信装置の光源に面発光レーザアレイ素子を用いることができる。面発光レーザは、発光部の直径が、数μｍから数１０μｍ程度のオーダーであり、活性層体積が非常に小さい素子であるから、例えば１Ｇｂｐｓを超える動作速度が実現可能である。更に、面発光レーザアレイ素子は、例えば光出力が数ｍＷと小さい個々の面発光レーザ素子が２次元アレイ状に複数配置された構成である。この構成により、同じチップ面積のＬＥＤと同等の光量を得ることができると同時に、発光部の総面積を小さくすることができる。これにより、光送信装置の光源として、高輝度で且つ高速の変調動作が実現できる光源を用いて可視光通信システムを構成することができる。
また、III族窒化物半導体面発光レーザを構成する窒化物半導体積層膜の積層方向は、ｃ軸から傾斜した結晶軸の方向であっても良い。
また、前記結晶軸は、ｍ軸であっても良い。
この構成によって、III族窒化物面発光レーザから出射する光の偏光方向を、一方向に偏光した直線偏光とすることができる。これにより、可視光通信システムの光送信装置の光源に用いるIII族窒化物面発光レーザについて、偏波スイッチングに起因するノイズを抑制することができる。従って、外光がバックグランドに重畳され、光受信装置における受信光信号の振幅が小さくなっても、良好な光通信を実現することができる。
また、III族窒化物半導体面発光レーザは、光出射部に、長方格子状に配列する微小開口が形成された金属薄膜を備えていても良い。
これにより、金属薄膜の光透過率に異方性が生じ、面発光レーザの発振に最適な透過率が得られる偏光方向に偏光が制御される。
また、III族窒化物半導体面発光レーザは、光出射部に、光拡散素子を備えていても良い。
また、前記光拡散素子は、凸レンズであっても良い。
これにより、面発光レーザからの出射光が広放射角化されるので、光送信装置の出射光について、光の出射方向に依存して生じるスペクトルのバラツキを小さくすることができる。この結果、可視光通信システムにおいて光受信装置の通信感度の場所依存性が少なくなり、良好な光通信を実現することができる。
また、III族窒化物半導体面発光レーザの素子間には、III族窒化物半導体よりも誘電率の小さい樹脂層が形成されていても良い。
これにより、配線電極に起因する寄生容量が低減され、光送信装置の高速化ができるので、可視光通信システムにおいて通信速度の高速化が可能となる。
以上のように、本発明の可視光通信システムによれば、強い外光が存在する環境化においても精度が高く、超高速のデータ通信を実現することができる。
図１は、本発明の実施の形態１における可視光通信システムの構成を示す図である。 図２（ａ）は、本発明の実施の形態１における光送信装置の発光スペクトルを示す図であり、図２（ｂ）は、従来の光送信装置の発光スペクトルを示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１における光受信装置の受光する光の発光スペクトルと光学フィルタの透過率を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１と従来の光受信装置が受信する光信号を比較した図である。 図５は、本発明の実施の形態２における可視光通信システムの構成を示す図である。 図６（ａ）は、本発明の実施の形態２における面発光レーザアレイ素子の上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩｂ−ＶＩｂ線における部分断面図である。 図７（ａ）は、本発明の実施の形態３における面発光レーザアレイ素子の上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線における部分断面図である。 図８（ａ）は、本発明の実施の形態４におけるｃ面ＧａＮ基板上の面発光レーザの偏光状態を示す図であり、図８（ｂ）は、本発明の実施の形態４におけるｍ面ＧａＮ基板上の面発光レーザの偏光状態を示す図である。 図９（ａ）は、本発明の実施の形態５における面発光レーザアレイ素子の断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の第２の高光反射層の上面の拡大図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本開示の第１の実施形態における可視光通信システムの構成を示す図である。図２、図３及び図４は、本実施形態における可視光通信システムの効果を説明する図である。
図１に示す、可視光通信システム１に用いられる光送信装置１０は、例えば青色波長のレーザ光を放射する半導体レーザ素子１２と、半導体レーザ素子１２を保持するパッケージ４０と、半導体レーザ素子１２の光出射側に配置された波長変換部３０とを有する構成である。
光受信装置５１は、半導体レーザ素子１２の放射光を受光する受光素子６０と、受光素子６０の受光面上部に配置され、例えば波長４４０ｎｍから波長４５０ｎｍの非常に狭い領域の波長の光のみ透過させるシャープカットフィルタである光学フィルタ７０と、受光素子６０及び光学フィルタ７０を保持するパッケージ８０とを有する構成である。半導体レーザ素子１２は、III族窒化物半導体からなり、電流注入によって、例えば波長４４０ｎｍから４５０ｎｍの青色波長帯にピーク波長を有するレーザを発振するように設計されている。
また、波長変換部３０は、例えば、シリコーンや低融点ガラス等の透明基材に蛍光体３１が含有された構成である。蛍光体３１は、例えば、セシウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）、又は、ユーロピウム付活ＳｉＡｌＯＮ（ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ）とユーロピウム付活（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３結晶とを混合したもの等からなる。波長変換部３０は、半導体レーザ素子１２からの青色波長帯のレーザ光の一部を吸収し、波長が４９０ｎｍから６６０ｎｍである緑色から赤色波長帯の蛍光を放射する。
続いて、本実施形態の可視光通信システム１の動作を説明する。
まず、コンセント等の外部から印加される例えば交流１００Ｖである電力１９０を元に、電流回路により所定の直流電流である送信電気信号１９１が生成され、光送信装置１０の半導体レーザ素子１２に印加される。半導体レーザ素子１２において、送信電気信号１９１は、青色光である送信光信号１９２に変換され、出射される。
半導体レーザ素子１２から出射された青色光である送信光信号１９２のうち、一部は波長変換部３０の蛍光体３１に吸収され且つ緑色光〜赤色光である蛍光１９３として放射される。蛍光体１９３と、送信光信号１９２のうち波長変換部３０に吸収されなかった部分とが混色して、白色光である送信光信号１９４として光送信装置１０から放射される。
ここで、光送信装置１０は、定常状態において、電源回路によりレーザの閾値電流を超える直流電流が印加され、白色光が放射されることによって白色照明として機能する。
一方、通信装置として動作させる場合には、変調器等によって構成される信号変換回路により、電力１９０に重畳されている送信データを所定のパルス幅の電気信号に変換する。更に、当該電気信号を直流電流に重畳させた送信電気信号１９１を、電源回路により生成させて、半導体レーザ素子１２に入力させる。
この送信電気信号１９１は、半導体レーザ素子１２により光信号に変換され、青色光の送信光信号１９２として放射される。放射された送信光信号１９２のうち一部は波長変換部３０によって吸収されるが、残りは信号が重畳された青色光の送信光信号１９２として光送信装置１０から出射される。波長変換部３０に吸収された送信光信号１９２は、パルス状の緑色〜赤色の蛍光１９３となり、光送信装置１０から出射される。したがって、光送信装置１０からは、送信光信号１９２と蛍光１９３が混色した送信光信号１９４が出射される。
ここで、送信光信号１９４のパルス幅及び周期は１ミリ秒よりも十分短い光信号であることから、送信光信号１９４は人間の目には白色の連続光として認識され、送信データを印加しない場合と同様に白色照明としての役割を果たす。
上記の光送信装置１０からの送信信号は、例えば、モバイル機器に搭載された光受信装置５１にて受信される。光送信装置１０から放射された白色照明光である送信光信号１９４は、光学フィルタ７０を通して受光素子６０によって受光される。このとき受光素子６０には、パルス状の変調信号が重畳された青色の光である受信光信号１９５が入射し、受光素子６０によりパルス状の受信電気信号１９６に変換される。このパルス状の電気信号から直流成分を除去したのち、復調器などにより受信データとして検出される。
本実施形態においては、送信電気信号１９１を送信光信号１９２に変換する素子として、半導体レーザ素子１２を用いる。半導体レーザ素子１２の発光部の大きさは、幅が数μｍから数１０μｍ程度であり、長さが数１００μｍから数ｍｍ程度と、発光に寄与する活性層体積が非常に小さい。更に、発光部内において誘導放出光を発生させて光を放射させるので、放射光のスペクトル幅が狭く、出力の大きな光を面積の小さい発光部から放射させる素子である。このような素子を光送信装置１０に搭載した場合の効果について、図２から図４に示す計算結果を用いて説明する。
図２（ａ）は、半導体レーザ素子１２を搭載する本実施形態の光送信装置１０の発光スペクトルを示す図であり、図２（ｂ）は、白色ＬＥＤを搭載する従来の光送信装置の発光スペクトルを示す図である。図３は、本実施形態の可視光通信システム１の光受信装置１０において受光する光の発光スペクトルと、光学フィルタの透過率を示す図である。図４は、本実施形態の一例と従来の可視光通信システムの光受信装置１０において得られる受信光信号を比較した図である。尚、縦軸のａ．ｕ．は、任意単位であることを意味する。
まず、図２（ａ）は、本実施形態の光送信装置１０において、半導体レーザ素子１２の出射光の中心波長を４４５ｎｍとすると共に、波長変換部３０の蛍光体３１としてＹＡＧ：Ｃｅを用いた場合の送信光信号１９４のスペクトルを示す。ここで、半導体レーザ素子１２の出射光スペクトルは、簡単のためスペクトル幅５ｎｍとして計算した。送信光信号の色温度は約５０００Ｋ（色度座標（０．３４６，０．３６３））とした。
また、図２（ｂ）に従来の光送信装置における送信光信号のスペクトルを示す。送信光信号の色温度は同じ約５０００Ｋ（色度座標（０．３４５、０．３７２））とした。
本実施形態において、青色波長領域の光を発する素子として半導体レーザを用いているので、青色波長領域のスペクトル幅が狭く且つピーク強度が大きいスペクトルとなる。このような光送信装置の光に対して、前述のように様々な外光が重畳され光受信装置に入射する。図３に、光装置の光に対して、白色ＬＥＤを用いた一般照明の光がバックグランドとして９倍の強度に重畳された場合の光受信装置５１の光学フィルタに入射される光のスペクトルを実線によって示す。（ここで、光送信装置１０からの出射光は破線によって示す）。また、それぞれ、青色領域の光のみ取り出すための光学フィルタの透過率を一点破線によって示す。
ここで、従来の可視光通信システムの場合、光送信装置の発光素子は白色ＬＥＤであって、バックグランドの光と同じ発光スペクトルを有する。従って、光受信装置に受信される青色領域の光は、同じスペクトル形状の一般照明光が入射するので、一般照明光が９倍重畳されたものとなる。
一方、本実施形態の可視光通信システムの場合、光送信装置１０の光のスペクトルは、前述の通り一般照明光のスペクトルよりも狭い。従って、透過する光の波長が狭い光学フィルタを用いると、一般照明光が重畳された青色領域の光から、受信光信号を高い比率で取り出すことができる。具体的に、図３に示す光学フィルタを用いることにより、図４に示すように、本実施形態の受信光信号１９５の振幅の方が、従来の受信光信号の振幅に比べて、約２倍に大きくなる。これにより、従来の白色ＬＥＤを用いた可視光通信システムでは困難であった、外光の影響の少ない光通信を実現することができる。更に、本実施形態の可視光通信システムの場合、半導体レーザ素子を用いているので、数１００Ｍｐｂｓから１Ｇｂｐｓを超える速度で変調し、送信信号を発生させることが可能である。
尚、本実施形態の可視光通信システム１によると、発光素子に半導体レーザ素子１２を用いている。半導体レーザ素子１２の発光拡がり角はＬＥＤに比べて小さいので、本システムはスポットライト等の指向性の高い照明を用いた可視光通信にも適用することができる。
また、本実施形態の可視光通信システム１において、光送信装置１０の半導体レーザ素子１２と波長変換部３０との間に光を拡散する光拡散素子を挿入し、半導体レーザ素子から出射される光を波長変換部に均一に照射するようにしてもよい。
また、本実施形態の可視光通信システム１において、半導体レーザ素子１２の出射光のピーク波長が波長４４０ｎｍから４５０ｎｍの青色波長帯であり、光学フィルタが波長４４０ｎｍから波長４５０ｎｍの波長の光のみ透過させるシャープカットフィルタであるとしたが、この限りではない。好ましい色温度を得るために、出射光の波長、光学フィルタの透過波長を変更することができる。このとき、半導体レーザ素子の出射光のピーク波長は４００ｎｍから５００ｎｍの間であり、シャープカットフィルタの透過波長範囲は出射光を透過し、青色ＬＥＤのスペクトル幅よりも狭いことが好ましい。また、半導体レーザ素子１２の出射光波長の温度シフトも含めて光学フィルタを設計することが好ましい。
（第２の実施形態）
次に、本開示の第２の実施形態について説明する。
図５は、本実施形態における例示的可視光通信システム１００を説明する図である。また、図６は、可視光通信システム１００に用いられる面発光レーザアレイ素子１０２を説明する図である。
図５に示すように、可視光通信システム１００の光送信装置１１０は、同一基板上に複数の面発光レーザ１０３が形成された面発光レーザアレイ素子１０２と、面発光レーザアレイ素子１０２の光出射側に配置された波長変換部３０と、面発光レーザアレイ素子１０２及び波長変換部３０を保持するパッケージ４０とを有する構成である。
光受信装置５１は、面発光レーザ１０３の出射レーザ光を受光する受光素子６０と、受光素子６０の受光面上部に配置され、例えば波長４４０ｎｍから波長４５０ｎｍの非常に狭い領域の波長の光のみ透過させるシャープカットフィルタである光学フィルタ７０と、受光素子６０及び光学フィルタ７０を保持するパッケージ８０とを有する構成である。面発光レーザ１０３は、III族窒化物半導体からなり、電流注入によって、例えば波長４４０ｎｍから４５０ｎｍの青色波長帯においてレーザ発振するように設計されている。
また、波長変換部３０は、蛍光体３１が、例えば、シリコーンや低融点ガラス等の透明基材に含有された構成である。蛍光体３１は、例えば、セシウム付活イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）、又は、ユーロピウム付活ＳｉＡｌＯＮ（ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ）とユーロピウム付活（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３結晶とを混合したもの等
からなる。波長変換部３０は、面発光レーザ１０３からの青色波長帯のレーザ光の一部を吸収し、波長４９０ｎｍから６６０ｎｍである緑色から赤色波長帯の蛍光を放射する。
続いて、図６（ａ）及び（ｂ）を用いて、本実施形態の面発光レーザアレイ素子１０２について詳細に説明する。本実施形態の面発光レーザアレイ素子１０２は、複数の面発光レーザ１０３により構成される。面発光レーザは、いわゆる、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER（垂直共振器面発光レーザ））であり、個々の面発光レーザ１０３の光出力は１ｍＷ程度と小さいが、アレイ状に多数個形成することにより同じチップサイズのＬＥＤと同等以上の光出力を得ることができる。
図６（ａ）は、本実施形態における面発光レーザアレイ素子１０２の上面図である。図６（ａ）に示すように、面発光レーザアレイ素子１０２は、格子状に配置された複数の面発光レーザ１０３と、ｐパッド電極１３５とを備える。ｐパッド電極１３５は、ｐコンタクト電極１３２を介して面発光レーザ１０３のｐ側のコンタクト層に接続されている。更に、面発光レーザアレイ素子１０２に設けられた開口部１３７にｎパッド電極１３９が形成され、面発光レーザ１０３のｎ側のコンタクト層に電気的に接続されている。
図６（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩｂ−ＶＩｂ断面線における部分断面図である。面発光レーザアレイ素子１０２を構成する半導体層は、例えばサファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板のいずれかである基板１２０に、例えばＳｉドープＧａＮである第１のｎ型窒化物半導体層１２１、例えばＳｉドープＡｌＧａＮとＳｉドープＧａＮとが交互に積層されてなるＤＢＲ（Distribute Bragg Reflector；分布ブラッグ反射鏡）である第１の高光反射層１２５、例えばＳｉドープＧａＮである第２のｎ型窒化物半導体層１２６、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる活性層１２７、例えばＭｇドープされたＡｌＧａＮである窒化物半導体電子障壁層１２８、例えばＭｇドープされたＧａＮ層であるｐ型窒化物半導体層１２９が順次積層されることにより構成されている。ここで、第１の高光反射層１２５の反射率は、面発光レーザ１０３の発光波長において９９．９％である。
面発光レーザアレイ素子１０２のｐ型窒化物半導体層１２９の表面に、例えばＳｉＯ２膜であり、アレイ状に円形の開口部１３４が形成された絶縁層１３０が形成されている。絶縁層１３０上に、例えばインジウム・スズ酸化物である透明電極１３１が成膜されている。透明電極１３１の上には、開口部１３４の上に重なるように円形の開口部を有するｐコンタクト電極１３２が形成されている。円形の開口部１３４上には、例えば、ＳｉＯ２とＴｉＯ２とが交互に積層されたＤＢＲ膜である第２の高光反射層１３３が形成されている。ここで、第２の高光反射層１３３の反射率は、面発光レーザ１０３の発光波長において９９．０％となるように設定される。
更に、面発光レーザアレイ素子１０２において、表面から第１のｎ型窒化物半導体層１２１に達するようにドライエッチング等により開口部１３７が形成されている。当該開口部１３７内において、第１のｎ型窒化物半導体層１２１上に、例えばＣｒ／Ａｕであるｎコンタクト電極１３８が形成され、その上に例えばＡｕであるｎパッド電極１３９が形成されている。
上記構成において、第１の高光反射層１２５と、第２の高光反射層１３３とによって挟まれ、開口部１３４の直下である領域が、面発光レーザ１０３の共振器となる。このとき前述のように、第１の高光反射層１２５の反射率は９９．９％、第２の高光反射層１３３の反射率は９９．０％であり、いずれもレーザ発振を生じさせるために９９％を超える非常に高い反射率に設計されている。
続いて、本実施形態の可視光通信システム１００の動作原理を説明する。本実施形態の可視光通信の動作は第１の実施形態と同じであるから、以下では主に異なる部分を説明する。
まず、面発光レーザアレイ素子１０２に対し、ｐパッド電極１３５とｎパッド電極１３９との間に所定の電力が印加され、ｐコンタクト電極１３２を通じて各々の面発光レーザ１０３に電流が注入される。個々の面発光レーザ１０３においては、ｎコンタクト電極１３８、第１のｎ型窒化物半導体層１２１、第１の高光反射層１２５、第２のｎ型窒化物半導体層１２６を通じて活性層１２７に電子が注入される。一方、ｐコンタクト層１３２から透明電極１３１及びｐ型窒化物半導体層１２９を通じて活性層１２７に正孔が注入される。
活性層に注入された電子及び正孔は、発光再結合し、第１の高光反射層１２５と第２の高光反射層１３３とによって構成される共振器によりレーザ光を発振させる。発生したレーザ光は反射率の小さい第２の高光反射層１３３から放射される。
ここで、絶縁層１３０の開口部１３４において、透明電極１３１がｐ型窒化物半導体層１２９と接しており、抵抗率が高いｐ型窒化物半導体層１２８により電流が横方向に拡がることなく絶縁層１３０の開口部１３４に電流を集中させることができる。従って、開口部１３４直下の共振器領域に集中して電流を注入することができ、効率よくレーザ発振を得ることができる。
このような面発光レーザは、ＬＥＤよりも光密度を２桁程度高くすることができる。これにより、アレイ状に多数個配置してＬＥＤと同程度の輝度が得られるようにした場合でも、発光部の総面積を小さくすることができる。従って、ＬＥＤに比べて、高速に光出力を変化させることができる。
上記構成の光送信装置１１０において、面発光レーザ１０３から出射された青色光である送信光信号１９２と、波長変換部３０から放射される蛍光１９３とが混色された白色光である送信光信号１９４が放射される。
本実施形態においては、送信電気信号１９１を送信光信号１９４に変換する素子として面発光レーザ１０３を用いている。面発光レーザは発光部の直径が数μｍから数１０μｍ程度のオーダーであり、活性層体積が非常に小さい素子であることから、発光寿命が小さく、例えば１Ｇｂｐｓを超える速度で変調し送信信号を発生させることが可能である。
これにより、従来の白色ＬＥＤを用いた可視光通信システムでは困難であった超高速の光
通信を実現することができる。
また、面発光レーザの発光拡がり角はＬＥＤに比べて小さいので、本システムはスポットライト等の指向性の高い照明を用いた可視光通信に適用することができる。
（実施の形態３）
続いて、本発明の実施の形態３の可視光通信システムについて、図７を参照しながら説明する。図７は、実施の形態３の可視光通信システムにも用いられる面発光レーザアレイ素子を示す図である。尚、実施の形態３に示す面発光レーザアレイ素子の構成において、実施の形態２に示す面発光レーザアレイ素子と重複する部分があるので、以下では主に異なる点について説明する。
図７（ａ）は、実施の形態３における面発光レーザアレイ素子２０２の上面図である。面発光レーザアレイ素子２０２は、格子状に配置された複数の面発光レーザ２０３を有する。また、面発光レーザ２０３のｎコンタクト電極２４１が設けられ、配線電極２４３によってｎパッド電極２６０に接続されている。
次に、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ断面線における部分断面図である。
面発光レーザアレイ素子２０２は、例えばＳｉである導電性支持基板２５１の一方の面に、例えばＴｉ／Ａｕである基板側電極２５３を有している。導電性支持基板２５１の他方の面に、例えばＡｕＳｎである接合金属２５２、蒸着、メッキ等により形成されたｐ側コンタクト電極１３２、及び、例えばインジウム・スズ酸化物である透明電極１３１を介して、III族窒化物半導体からなる面発光レーザ２０３が形成されている。
面発光レーザ２０３は、例えばＭｇドープしたＧａＮであるｐ型窒化物半導体層１２９、例えばＭｇドープしたＡｌＧａＮであるｐ型窒化物半導体電子障壁層１２８、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸からなる活性層１２７、例えばＳｉドープしたＧａＮである第２のｎ型窒化物半導体層１２６、例えばＳｉドープした第１のｎ型窒化物半導体層１２１を有する構成である。面発光レーザ２０３の基板側には、透明電極１３１を介して、例えばＴｉＯ２／ＳｉＯ２の誘電体多層膜（ＤＢＲ）である第２の高光反射層１３３が形成されている。ｎ型窒化物半導体層１２１上には、例えばＴｉＯ２／ＳｉＯ２の誘電体多層膜（ＤＢＲ）である第１の高光反射層２４２が形成されている。
上記構成において、第１の高光反射層２４２と第２の高光反射層１３３で挟まれた領域が面発光レーザの共振器となる。ここで、第１の高光反射層２４２の反射率は９９％、第２の高光反射層１３３の反射率は９９.９％であり、いずれもレーザ発振を生じさせるために９９％を超える非常に高い反射率に設計されている。
面発光レーザ１０３の共振器部分に効率良く電流が注入されるよう、透明電極１３１における第２の高光反射層１３３の周囲には、例えばＳｉＯ２である絶縁層１３０が形成されている。一方、第１の高光反射層２４２の周辺部には、第１のｎ型窒化物半導体層１２１に接してｎコンタクト電極２４１が形成されている。面発光レーザ２０３の素子間は樹脂からなる絶縁層２４０によって充填されており、ｎコンタクト電極２４１及び絶縁層２４０の上部に、面発光レーザを接続する配線電極２４３が配置されている。
上記面発光レーザアレイ素子２０２は、別々の基板に各構成要素を形成して貼り合わせる工程を含む、次のような方法により製造される。
まず、第１の実施形態と同様に、例えばサファイア基板、ＧａＮ基板等の図示しない結晶成長基板に、窒化物半導体結晶成長技術を用いて、ｎ型窒化物半導体層１２１からｐ型窒化物半導体層１２９までを順次結晶成長させることにより、窒化物半導体成長基板を準備する。続いて、面発光レーザを形成しない領域の窒化物半導体層を半導体エッチング法等によって除去し、例えばアクリル樹脂等の低誘電率樹脂、又は、ＳｉＯ２等の低誘電率無機材料を埋め込むことにより、絶縁層２４０を形成する。続いて、例えばＳｉＯ２である絶縁層１３０を形成し、半導体リソグラフィーを用いて面発光レーザを形成する部分のみに開口部１３４を形成する。
開口部１３４上を含む絶縁層１３０上に、透明電極１３１及び第２の高光反射膜１３３を形成した後、例えばＴｉ／Ａｕ膜とＡｕメッキ膜の積層膜であるｐコンタクト電極１３２を形成する。
次に、例えばＳｉ基板である導電性支持基板２５１の一方に基板側電極２５３が形成され、他方に接合金属２５２が形成された基板を別途準備し、前述の窒化物半導体成長基板と、導電性支持基板２５１とを、ｐコンタクト電極１３２と接合金属２５２とが電気的に接続するように接合する。そして、窒化物半導体成長基板側から、研磨により結晶成長基板を除去する。
次に、結晶成長基板が除去されて露出したｎ型窒化物半導体層１２１上に、ｎコンタクト電極２４１、第１の高光反射層２４２、配線電極２４３を形成し、最後に例えばシリコーン樹脂などをパターニングすることによって光拡散部２４５を形成する。
上記の構成において、面発光レーザアレイ素子を形成する面発光レーザは、全て配線電極２４３によってｎパッド電極２６０に接続されている。ただし、隣接する面発光レーザを接続する領域のみに配線電極２４３が形成されており、このことを特徴とする。本実施形態の面発光レーザアレイ素子２０２は、このような構成とすることにより、配線電極２４３の面積が低減されて寄生容量が低減されるので、高速動作に好適である。
更に、面発光レーザ２０３の素子間において、配線電極２４３の下部にIII族窒化物半導体よりも誘電率の小さい絶縁層２４０が形成されていることを特徴とする。このことにより、配線電極２４３に起因する寄生容量が小さくなるので、高速動作に好適である。
本実施形態の面発光レーザアレイ素子２０２において、ｎパッド電極２６０と基板側電極２５３との間に所定の電力を印加すると、配線電極２４３を通じて各々の面発光レーザ１０３に電流が注入される。個々の面発光レーザ１０３においては、配線電極２４３からｎコンタクト電極２４１、第１のｎ型窒化物半導体層１２１及び第２のｎ型窒化物半導体層１２６を通じて活性層１２７に電子が注入される。一方、基板側電極２５３からは、導電性支持基板２５１、接合金属２５２、ｐコンタクト電極１３２、透明電極１３１及びｐ型窒化物半導体層１２９を通じて活性層１２７に正孔が注入される。
活性層に注入された電子と正孔は発光再結合し、第１の高光反射層２４２と第２の高光反射層１３３とによって構成される共振器によりレーザ発振が生じる。発生したレーザ光は、反射率の小さい第１の高光反射層２４２から放射される。
絶縁層１３０の開口部において透明電極１３１がｐ型窒化物半導体層１２９と接しており、ｐ型窒化物半導体層１２９の抵抗率が高いことから、電流が横方向に拡がることなく絶縁層１３０の開口部に電流が集中する。したがって、第１の高光反射層２４２と第２の高光反射層１３３とによって上下を挟まれた共振器領域に集中して電流を注入することができ、効率よくレーザ発振を得ることができる。
特に、第３の実施形態の面発光レーザアレイ素子２０２においては、第１の高光反射層２４２の上部に、例えば、凸レンズのマイクロレンズである光拡散部２４５が形成されている。このような構成とすることにより、面発光レーザ２０３からの出射光が、光拡散部２４５によって広放射角化される。これにより、面発光レーザアレイ素子２０２から出射する光が波長変換部３０へ均一に照射される。これにより、光送信装置の出射光について、光の出射方向に依存して生じるスペクトルのバラツキを小さくすることができる。この結果、可視光通信システムにおいて、光受信装置の通信感度の場所依存性が少なくなり、良好な光通信を実現することができる。
つまり、一般照明を用いた可視光通信が可能となるとともに、光源に面発光レーザを用いていることからＬＥＤよりも高速の通信速度を実現することができる。
尚、本実施形態の場合、面発光レーザ２０３から出射させる光を広放射角化させるために、光拡散部２４５を第１の高光反射層２４２の上に形成した。しかし、これは必須ではない。波長変換部３０の表面に凸レンズなどの光拡散部を形成しても良いし、波長変換部とは別に凸レンズなどの光拡散部を配置しても構わない。この場合にも同様の効果を得ることができる。
また、光拡散部２４５の形状として凸レンズを挙げたがこの限りではない。例えば凹レンズを用いても良いし、表面に凹凸が形成された拡散構造を用いても良い。
（第４の実施形態）
次に、本開示の第４の実施形態の可視光通信システムについて、図８を参照しながら説明する。
図８（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の可視光通信システムにも用いられる面発光レーザアレイ素子３０２及び４０２を上面から見た図である。より詳しく述べると、図８（ａ）は、結晶成長基板として結晶成長面がｃ面であるｃ面ＧａＮ基板を用いて作製した面発光レーザアレイ素子３０２と、その窒化物半導体層の結晶軸方向及び出射光の偏光方向を示す図である。この場合、活性層等の窒化物半導体層の結晶成長方向がｃ軸方向となる。また、図８（ｂ）は、結晶成長面がｍ面であるｍ面ＧａＮ基板を用いて作製した面発光レーザアレイ素子４０２と、その窒化物半導体層の結晶軸方向及び出射光の偏光方向を示す図である。この場合、活性層等の窒化物半導体層の結晶成長方向がｍ軸方向となる。
ここで、面発光レーザアレイ素子３０２及び４０２の表面及び断面の構成は、図７（ａ）及び図７（ｂ）と同様である。
現在、III族窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子の結晶成長基板としては、結晶成長面がｃ面であるｃ面ＧａＮ基板が用いられている。しかしながら、窒化物半導体層の積層方向の結晶軸をｃ軸とした場合、活性層の面内方向に関して対称な結晶構造を有する。このことにより、各々の面発光レーザから出射する出射光の偏光状態は、図８（ａ）の右下の面発光レーザ上に矢印で示すような様々の偏光方向が入り交じったランダム偏光となる。つまり、一方向に偏光が規定されないので、環境温度などの動作条件の変動によって偏光方向が変わる偏波スイッチングが生じる。この偏波スイッチングは、時間的な光出力変動の原因となるので、光通信速度が高速の場合のノイズの原因となる。
これに対し、図８（ｂ）に示すように、例えば、窒化物半導体層の積層方向の結晶軸がｍ軸となる構成を用いると、窒化物半導体層の面内における結晶軸の方向はｃ軸方向とａ軸方向となる。特に、窒化ガリウム結晶などの窒化物半導体においては、ガリウム原子と窒素原子が偏在し、その双極子モーメントがｃ軸方向と平行な方向に存在している構成となるので、活性層の利得に異方性が生じる。この結果、レーザの偏光としては、図８（ｂ）の右下に示すようなｃ軸方向に垂直な方向に直線偏光したレーザ発振が得られる。つまり、本実施形態のように、ｍ面ＧａＮ基板を窒化物半導体の結晶成長基板として用いた場合、結晶の非対称性により一方向に偏光した直線偏光が得られる。この結果、動作条件の変動に対する偏光の安定性が向上し、ノイズが発生しにくい良好な光通信を実現することができる。
上記の構成により、面発光レーザアレイ素子の面発光レーザを構成する窒化物半導体層の積層方向をｃ軸から傾斜させ、好ましくはｍ軸とすることにより、偏波スイッチングに起因する出力変化などのノイズが抑制される。従って、波長スペクトル幅が狭く、更に安定した青色波長領域の光を光送信装置から出射できる。この結果、可視光通信システムの光受信装置において生成される高速の受信信号のノイズを更に低減させることができる。従って、本実施形態の可視光通信システムを用いることにより、外光の影響を受けにくい、良好な光通信を実現することができる。
尚、本実施形態において、結晶成長面がｍ面である結晶成長基板を用いた場合について説明したが、この限りではない。例えば、ｃ軸から傾斜した結晶軸を有する［１１−２２］面、［１−１０１］面、［２０２１］面等の、いわゆる半極性基板や、ａ面などの無極性基板を用いても同様の効果が得られる。
（第５の実施形態）
次に、本開示の第５の実施形態の可視光通信システムについて、図９を参照しながら説明する。
図９は、本実施態の可視光通信システムにも用いられる面発光レーザアレイ素子５０２を表す。図９（ａ）は、面発光レーザアレイ素子５０２の模式的な部分断面図である。図９（ｂ）は、面発光レーザ５０３付近を上面から見た部分上面図である。
本実施形態の面発光レーザアレイ素子５０２では、図９（ａ）に示すように、第２の高光反射層５４２上に、長方格子金属ホールアレイ５５０が形成されている。これ以外の点については、第３の実施形態における面発光レーザアレイ素子と同様の構成となっている。
第２の高光反射層５４２は、例えば、ＳｉＯ２等の誘電体膜である。長方格子金属ホールアレイ５５０は、図９（ｂ）に示すように、例えばＡｇ又はＡｌによって構成される金属薄膜に、微小な開口部である微小開口部５５０ａが長方格子状に形成され配置された構成を有する。微小開口部５５０ａの周期は直交方向で異なるように設定されており、一方向の周期Ｐ１は表面プラズモン共鳴が生じて光透過率が大きく、これと直交する方向の周期Ｐ２では表面プラズモン共鳴が生じず光透過率が小さくなるように設定されている。
このような構成とすることにより、金属薄膜の光透過率に異方性が生じ、面発光レーザの発振に最適な透過率が得られる偏光方向に偏光が制御される。例えば、出射光の偏光方向を、図９（ｂ）に示すように図中の水平方向とすることができる。
上記の構成により、面発光レーザアレイ素子５０２の偏波スイッチングに起因するノイズが抑制される。この結果、可視光通信システムの光受信装置で生成される受信信号のノイズを低減させることができる。従って、波長スペクトル幅が狭く、更に光出力が安定した青色波長領域の光を光送信装置から出射できるので、本実施形態の可視光通信システムを用いることにより、外光がバックグランドに重畳され、光受信装置における受信光信号の振幅が小さくなっても、良好な光通信を実現することができる。
本開示の可視光通信システムは、照明に用いる可視光を用いて超高速の光通信を可能とするものであり、家庭やオフィスなどで用いる一般照明、スポットライト照明を利用した光送受信システムだけでなく、車の照明機器、信号機、道路照明灯などの交通網の照明を利用した光送受信システムに適用することができる。
１ 可視光通信システム
１０ 光送信装置
１２ 半導体レーザ素子
３０ 波長変換部
３１ 蛍光体
４０ パッケージ
５１ 光受信装置
６０ 受光素子
７０ 光学フィルタ
８０ パッケージ
１０２ 面発光レーザアレイ素子
１０３ 面発光レーザ
１０４ 蛍光体
１０５ 光受信装置
１０６ 受光素子
１０７ 光学フィルタ
１０８ 送信信号
１０９ 受信信号
１１０ 光送信装置
１２０ 基板
１２１ 第１のｎ型窒化物半導体層
１２５ 第１の高光反射層
１２６ 第２のｎ型窒化物半導体層
１２７ 活性層
１２８ 窒化物半導体電子障壁層
１２９ ｐ型窒化物半導体層
１３０ 絶縁層
１３１ 透明電極
１３２ ｐコンタクト電極
１３３ 第２の高光反射層
１３４ 開口部
１３５ ｐパッド電極
１３７ 開口部
１３８ ｎコンタクト電極
１３９ ｎパッド電極
１９０ 電力
１９１ 送信電気信号
１９２ 送信光信号
１９３ 蛍光
１９４ 送信光信号
１９５ 受信光信号
１９６ 受信電気信号
２０２ 面発光レーザアレイ素子
２０３ 面発光レーザ
２４０ 絶縁層（樹脂層）
２４１ ｎコンタクト電極
２４２ 第１の高光反射層
２４３ 配線電極
２４５ 光拡散部
２５１ 導電性支持基板
２５２ 接合金属
２５３ 基板側電極
２６０ ｎパッド電極
５０２ 面発光レーザアレイ素子
５０３ 面発光レーザ
５４２ 第２の高光反射層
５５０ 長方格子金属ホールアレイ
５５０ａ 微小開口部

Claims (8)

  1. III族窒化物半導体レーザ素子と、前記窒化物半導体レーザ素子の光出射面側に配置され、蛍光体を有する波長変換部とを有する光送信装置と、
    前記蛍光体からの発光を除去する波長フィルタと、前記波長フィルタを介して前記III族窒化物半導体レーザ素子からの発光を受光する受光素子とを備えることを特徴とする可視光通信システム。
  2. 請求項１において、
    前記III族窒化物半導体レーザ素子は、複数のIII族窒化物半導体面発光レーザを含む面発光レーザアレイ素子であることを特徴とする可視光通信システム。
  3. 請求項２において、
    前記III族窒化物半導体面発光レーザを構成する窒化物半導体積層膜の積層方向は、ｃ軸から傾斜した結晶軸の方向であることを特徴とする可視光通信システム。
  4. 請求項３において、
    前記結晶軸は、ｍ軸であることを特徴とする可視光通信システム。
  5. 請求項２〜４のいずれか１つにおいて、
    前記III族窒化物半導体面発光レーザは、光出射部に、長方格子状に配列する微小開口が形成された金属薄膜を備えることを特徴とする可視光通信システム。
  6. 請求項２〜５のいずれか１つにおいて、
    前記III族窒化物半導体面発光レーザは、光出射部に、光拡散素子を備えることを特徴とする可視光通信システム。
  7. 請求項６において、
    前記光拡散素子は、凸レンズであることを特徴とする可視光通信システム。
  8. 請求項２〜７のいずれか１つにおいて、
    前記III族窒化物半導体面発光レーザの素子間には、III族窒化物半導体よりも誘電率の小さい樹脂層が形成されていることを特徴とする可視光通信システム。
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